WO1996034418A1 - PROCEDE DE FABRICATION DE DETECTEURS INFRAROUGE A BASE DE GalnAs - Google Patents

PROCEDE DE FABRICATION DE DETECTEURS INFRAROUGE A BASE DE GalnAs Download PDF

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WO1996034418A1
WO1996034418A1 PCT/FR1996/000617 FR9600617W WO9634418A1 WO 1996034418 A1 WO1996034418 A1 WO 1996034418A1 FR 9600617 W FR9600617 W FR 9600617W WO 9634418 A1 WO9634418 A1 WO 9634418A1
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PCT/FR1996/000617
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Xavier Hugon
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Thomson-Csf Semiconducteurs Specifiques
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P

Definitions

  • the invention relates to infrared detectors.
  • GalnAs ternary alloy which is absorbent for wavelengths in this range, the absorption spectrum depending on the respective proportions of gallium, indium and arsenic.
  • an epitaxial layer of Gao 47lno 53As is grown, with a parameter exactly adapted to the buffer layer of InP, and the indium content of the layer is then gradually increased until the composition of the epitaxial layer is that which is desired, for example Ga 0 ⁇ 2lno, 8 As - Finally, the desired thickness of the layer is increased.
  • the epitaxy by gradually introducing arsenic with indium and phosphorus to constitute an InAsP layer; the gradual increase in the rate of arsenic brings the mesh parameter of the InAsP layer closer to that of the desired layer Gao t 2lno, 8As.
  • the arsenic rate corresponds to an equality of the mesh parameters between the InAsP layer and the desired Gao t 2lno, 8 As layer, this rate is kept for a certain time. Then we grow a desired thickness of Gao ⁇ 'no. ⁇ As.
  • the buffer layer should be very thick (6 to 7 micrometers). In addition, if dislocations occur in the growing layer, these dislocations propagate in the buffer layer.
  • Another solution which has already been proposed consists in depositing on the InP substrate an alternation of crystalline layers under stress and of crystalline layers in extension, that is to say layers with smaller mesh and layers with mesh. larger than the previous layer, gradually modifying the layer compositions to finally result in the composition having the desired mesh parameter.
  • This succession of layers constitutes a mechanical filter absorbing the differential stresses between the substrate and the final active layer. Any dislocations that are created at the interface between the substrate and the filter bend towards the substrate instead of propagating to the active layer.
  • the structure is in equilibrium at the end of the process, it is not during growth and proper dislocations are created in the mechanical filter. These dislocations can subsequently reach the active layer and deteriorate it, in particular as regards the dark current of the detectors.
  • a third solution was explored, consisting in creating small islands of InP on the surface of the substrate and an epitaxial growth on the surface of the islands.
  • the epitaxial material grows on each island, extending laterally until it reaches the neighboring islands. This solution is difficult to implement and has not resulted in industrially viable solutions.
  • the invention proposes to use as a substrate for epitaxial growth a crystal substrate of InP so thin that, when the stresses exceed the dislocation thresholds of crystal structures during the growth of the active layer of GalnAs is the InP substrate that breaks down and not the epitaxial layer of GalnAs.
  • the substrate imposing on it its own mesh parameter.
  • the very thin crystalline substrate would not be industrially manipulable if it were not reinforced by another structure, it is expected that it is joined to another more rigid substrate but which does not impose its mesh parameter with a very thin crystalline substrate.
  • the invention therefore proposes both a new structure of a semiconductor device and an original manufacturing process.
  • the infrared detector according to the invention comprises an active crystalline layer of GalnAs formed by epitaxial growth on a crystalline substrate of InP, and it is characterized in that the crystalline substrate of InP has a very thin thickness, and is backed by another much thicker substrate which does not tend to impose a mesh parameter on the very thin crystalline substrate.
  • the thickness of the thin substrate is chosen such that the dislocations due to the growth of the active layer on the thin substrate are created in the thin substrate before being created in the active layer.
  • the two substrates can be made of the same material, but even if this is the case, constraints exist because the very thin substrate undergoes dislocations (this is the principle of the invention) and the thick substrate would tend to oppose to these dislocations if it were not separated from the thin substrate by a relatively amorphous layer absorbing the stresses and allowing the mesh slips caused by the dislocations.
  • the assembly of the two contiguous substrates is preferably produced by making two different substrates integral with each other, and by machining the one which must constitute the very thin crystalline substrate until giving it the desired thickness.
  • the joining is preferably done by molecular adhesion phenomenon between the perfectly polished and flat surfaces of the two substrates.
  • the polishing is of course done after formation of the absorption layer on one of the substrates (at least in the general case where an absorption layer is necessary).
  • the substrate which must carry the active layer is much thinned, and this active layer is deposited by epitaxy on the thinned substrate.
  • a method of manufacturing a semiconductor structure in which an active semiconductor layer of GalnAs is grown epitaxially on a very thin crystalline substrate of InP, characterized in that said crystalline substrate is prepared under form a first thick InP substrate (S1), prepare a second thick substrate (S2), join the two substrates, machine the first substrate to give it a very thin thickness, and deposit the layer active (CA) on this first thinned substrate, the thickness of the thinned substrate being such that the crystalline dislocations which occur during the growth of the active layer form in the thinned substrate rather than in the active layer, the bonding between the second thick substrate and the thinned substrate being moreover such that the second thick substrate does not impose on the thinned substrate a determined crystalline mesh which would tend to prevent these dislocations in the thinned substrate.
  • S1 first thick InP substrate
  • S2 second thick substrate
  • CA layer active
  • FIG. 1a Two different substrates are produced separately (FIG. 1a).
  • S1 is in InP. It has a lattice parameter close to that of an active semiconductor layer of GalnAs which it is desired to deposit later to form an infrared detector there.
  • S2 is any substrate, the main function of which is to provide mechanical strength during handling during manufacture. It must be made of a material compatible with InP in the sense that the coefficients of thermal expansion of these two materials must be fairly close, and that the various stages of the process described must be able to be carried out.
  • the material of the substrate S2 can be InP like the substrate S1. It could however be made of silicon to reduce costs.
  • a well suited substrate would be silicon on sapphire (SOS for "silicon on sapphire") which is directly epitaxiable. In this hypothesis, it is also possible to envisage the growth of islands of InP on the silicon substrate.
  • the substrates should preferably be joined to each other without the use of a bonding aid because the adhesives would not withstand the treatment temperatures during the subsequent stages, in particular the epitaxial growth stages, diffusion of impurities, thermal oxidation, etc.
  • one of the following two methods will preferably be used: welding in the presence of an electric field, or direct molecular adhesion.
  • the joining of two substrates by molecular adhesion simply consists in very finely polishing the flat surfaces to be joined. If the polished surfaces have roughness of a few tens of atomic planes and are very clean, the crystal bonds which remain free on the surface of the two substrates can reform at the interface when the two surfaces are joined. The effectiveness of this effect depends on the affinity of the chemical species present and is activated by heat treatment. Molecular adhesion is a very strong bond.
  • FIG. 1b represents the substrate S2 with a buffer layer 10, for example made of silica (Si02) or alumina (AI203).
  • the material chosen for the buffer layer must be compatible with the substrate S2 from the point of view of thermal expansion. It must be sufficiently amorphous to establish as few crystal bonds as possible with the substrate, and it must be able to be polished for molecular adhesion. Alumina is preferable because it has a better thermal coefficient than silica to that of the InP substrate. On the other hand, silica partly establishes bonds with the InP crystal, while alumina practically does not. However, if the substrate S2 is made of silicon, the silica is particularly suitable for the buffer layer. One can imagine that multilayer structures can be used for the buffer layer if we want to better meet all the requirements indicated.
  • the preparation of the substrate S2 can consist only in the deposition of the buffer layer 10 and its polishing for the purpose of the bonding operation by molecular adhesion.
  • a similar buffer layer will also be produced on the substrate S1 to allow molecular adhesion between two layers of the same material.
  • the substrate S1 is preferably prepared with epitaxial deposition steps to subsequently facilitate its thinning down to a well controlled thickness.
  • an epitaxial layer 12 of the same material as the substrate S1 (InP) is therefore successively deposited (FIG. 1c), to perfect the monocrystalline state of the surface of the substrate S1; then a chemical attack stop layer 14 is deposited; then, an epitaxial layer CS1 of InP is deposited, of thickness equal to the final thickness of very thin crystalline substrate desired in the structure (preferably a few thousand angstroms). It is indeed this layer CS1 which will constitute the very thin crystalline substrate of the final structure.
  • the chemical attack stop layer 14 is as much as possible a crystalline layer very similar in structure and in mesh parameter to that of the layer CS1, so that the epitaxial growth of the layer CS1 is possible on the layer 14.
  • the chemical attack products of the substrate S1 must not attack the stop layer and the attack products of the stop layer must not attack the layer CS1.
  • the stop layer 14 can be made of InGaAs, or InAlAs.
  • the buffer layer 10 is deposited, in alumina or silica, corresponding to the layer 10 of the substrate S2.
  • barrier layer 14 is removed using another attack composition which does not affect the CS1 layer (H2SO4: H202: H20, or aqueous citric acid solution for a barrier layer in InGaAs).
  • a very thin crystalline substrate CS1 remains, residue from the machining of the substrate S1, with a mesh close to the mesh of a layer active crystalline CA which it is desired to deposit on this substrate.
  • the residual substrate CS1 is attached to a thick substrate S2 and separated from it by a buffer layer 10. having few crystalline links with the substrate S2, so that the substrate S2 does not tend to impose its mesh structure and its dimensions of mesh to CS1 substrate.
  • the active layer CA of InGaAs can then be epitaxially deposited (FIG. 2).
  • the operations will be carried out (diffusions, implantations, oxidations, deposits of insulating, resistive, conductive or semiconductor layers, etc.) necessary for the production of useful components in the active layer CA and above this layer.
  • the dislocation phenomena involved in the growth of the active layer can be explained in the following way, for example in the case of an active layer of Gao 2lno, 8 As on an InP substrate.
  • the epitaxial growth of the active layer produces stresses between the substrate and the layer since the mesh parameters are not identical.
  • the stress is in tension for the InP substrate and in compression for the active layer, which is favorable because the resistance of the layers in compression is generally better than in tension.
  • the thickness of the thin substrate is chosen to be sufficiently small for dislocations to occur in this substrate while the stresses are not yet sufficient to dislocate the active layer, and this during the entire growth of the active layer.
  • the thickness of the thin substrate in such a way that the dislocation thresholds in the substrate are exceeded before the dislocation thresholds of the active layer, and this from one end to the other of the growth of the layer. active.
  • the thin substrate does not have a resistance to dislocation reinforced by the thick substrate against which it is attached. Indeed, if the crystalline mesh of the thick substrate imposed its structure and its mesh parameter on the thin substrate, the dislocations of the thin substrate would be prevented.
  • the presence of a buffer layer, preferably amorphous, between the two substrates is one way of preventing this increase in the resistance of the thin substrate to dislocations.
  • the crystalline layers of the thin substrate can then slide, during the dislocations, on the buffer layer.
  • the buffer layer in fact creates only few crystalline links with the thin substrate with which it is in contact.
  • the effectiveness of the concept can be improved by prestressing the thin substrate (in extension). This can be obtained by a judicious choice of the nature of the adhesion layers 10: the coefficient of differential thermal expansion between the adhesion layer and the layer CS1 creates a constraint. One can also play on the temperature at which molecular adhesion takes place, the two substrates S1 and S2 possibly being at different temperatures during the bonding operation.

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Abstract

L'invention concerne la fabrication des détecteurs infrarouge en InGaAs sur InP. Pour réaliser une structure semiconductrice dans une couche active (CA) de GalnAs sur InP, on procède de la manière suivante: on prépare un premier substrat épais (S1) d'InP, on prépare un deuxième substrat épais (S2), on solidarise les deux substrats, on usine le premier substrat jusqu'à lui donner une épaisseur très fine, et on dépose la couche active (CA) de GalnAs sur ce premier substrat aminci, l'épaisseur du substrat aminci (CS1) étant telle que les dislocations cristallines qui se produisent lors de la croissance de la couche active se forment dans le substrat aminci plutôt que dans la couche active.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE DETECTEURS INFRAROUGE A
BASE DE GalnAs
L'invention concerne les détecteurs infrarouge.
Pour détecter certaines longueurs d'onde infrarouge, notamment celles comprises entre environ 1 et 3 micromètres, on cherche à utiliser un alliage ternaire GalnAs qui est absorbant pour des longueurs d'onde dans cette gamme, le spectre d'absorption dépendant des proportions respectives de gallium, indium et arsenic. On cherche, entre autres à faire des détecteurs dans la bande 1 ,7 à 2,4 micromètres à partir de GaxlnyAs, avec x=0,2 environ et y = 0,8 environ. Ces détecteurs infrarouge ont l'avantage très important de pouvoir fonctionner à des températures proches de l'ambiante.
Une difficulté majeure est cependant le fait qu'on ne sait pas faire des substrats suffisamment épais dans ce matériau.
On sait cependant qu'il est possible d'épitaxier une coche active de GalnAs sur un substrat cristallin d'InP, parce que les mailles cristallines de ces matériaux sont proches. Et on sait maintenant faire des substrats d'InP.
Pour réaliser une couche active épitaxiée de GalnAs, il y a plusieurs solutions connues.
Dans la première solution, on part d'un substrat InP. Mais la maille cristalline de GaxlnyAs n'est exactement égale à la maille de InP que si x=0,47 et y=0,53. Pour x=0,2 et y=0,8 les paramètres de maille sont légèrement décalés, de sorte qu'une croissance directe de la couche active sur le substrat InP provoque des dislocations inacceptables de la couche active dès que celle-ci dépasse quelques dizaines d'angstrôms d'épaisseur.
On fait donc d'abord croître une fine couche épitaxiale d'InP sur le substrat InP, constituant une couche tampon pour avoir une surface cristalline parfaite à la surface du substrat.
Puis on fait croître une couche épitaxiale de Gao 47lno 53As, de paramètre exactement adapté à la couche tampon d'InP, et on augmente ensuite progressivement la teneur en indium de la couche jusqu'à ce que la composition de la couche épitaxiale soit celle qui est souhaitée, par exemple Ga0ι2lno,8As- Enfin, on fait croître l'épaisseur désirée de couche.épitaxiale
Figure imgf000004_0001
En variante, après la couche tampon initiale d'InP on peut continuer l'épitaxie en introduisant progressivement de l'arsenic avec l'indium et le phosphore pour constituer une couche InAsP; l'augmentation progressive du taux d'arsenic rapproche le paramètre de maille de la couche InAsP de celui de la couche désirée Gaot2lno,8As. Lorsque le taux d'arsenic correspond à une égalité des paramètres de maille entre la couche InAsP et la couche Gaot2lno,8As désirée, on conserve ce taux pendant un certain temps. Puis on fait croître une épaisseur désirée de Gao^'no.θAs.
Dans ces deux variantes, on constitue un tampon graduel à variation de maille progressive, entre le substrat et la couche active qui n'ont pas les mêmes paramètres de maille cristalline.
Au cours de la croissance des diverses couches, il se produit cependant des contraintes dues aux modifications de paramètres de maille, et ces contraintes entraînent une fragilité du dispositif. La couche tampon doit être très épaisse (6 à 7 micromètres). De plus, si des dislocations se produisent dans la couche en croissance, ces dislocations se propagent dans la couche tampon.
Ces technique conduisent à des structures très imparfaites. L'épaisseur et la complexité des structures épitaxiées conduisent à des coûts élevés, tandis que la structure d'adaptation génère elle-même une quantité de défauts cristallins difficilement maîtrisables. Aucun dispositif de qualité équivalente à ceux réalisés sur des hétérostructures adaptées n'a pu à ce jour être fabriqué, la dégradation des performances obtenues avoisine un facteur mille, ce qui justifie les efforts pour trouver des solutions nouvelles. La plupart des détecteurs infrarouge construits pour la détection de longueurs d'onde supérieures à un micromètre sont réalisés de cette manière. Mais ils présentent un très fort courant d'obscurité (de l'ordre de 1 mA/cm2). Ce courant d'obscurité est justement dû aux dislocations de la couche active, inévitables pendant la croissance épitaxiale malgré la présence des tampons graduels. Une autre solution qui a déjà été proposée consiste à déposer sur le substrat d'InP une alternance de couches cristallines en contrainte et de .couches cristalline en extension, c'est-à-dire des couches à maille plus petite et des couches à maille plus grande que la couche précédente, en modifiant progressivement les compositions de couches pour aboutir finalement à la composition ayant le paramètre de maille désiré.
Cette succession de couches constitue un filtre mécanique absorbant les contraintes différentielles entre le substrat et la couche active finale. Les dislocations éventuelles qui se créent à l'interface entre le substrat et le filtre se recourbent vers le substrat au lieu de se propager jusqu'à la couche active.
Toutefois, bien que la structure soit en équilibre à la fin du processus, elle ne l'est pas au cours de la croissance et des dislocations propres se créent dans le filtre mécanique. Ces dislocations peuvent ultérieurement atteindre la couche active et la détériorer, notamment en ce qui concerne le courant d'obscurité des détecteurs.
D'autre part, cette solution crée un grand nombre d'interfaces de couches successives et les interfaces sont sources de défauts mal maîtrisés. Cette solution n'a d'ailleurs pas été véritablement mise en oeuvre industriellement.
Une troisième solution a été explorée, consistant à créer des petits îlots d'InP à la surface du substrat et une croissance épitaxiale à la surface des îlots. Le matériau épitaxié croît sur chaque îlot en débordant latéralement jusqu'à rejoindre les îlots voisins. Cette solution est difficile à mettre en oeuvre et n'a pas abouti à des solutions industriellement viables.
On est donc à la recherche de solutions efficaces et vraiment utilisables industriellement pour réaliser des couches actives de GalnAs sur des substrats cristallins d'InP.
L'invention propose d'utiliser comme substrat pour la croissance épitaxiale un substrat cristallin d'InP tellement mince que, lorsque les contraintes dépassent les seuils de dislocation de structures cristallines lors de la croissance de la couche active de GalnAs, c'est le substrat d'InP qui se disloque et non la couche épitaxiale de GalnAs. D'habitude, du fait de la rigidité du substrat due à son épaisseur, clest bien sûr la couche épitaxiale qui subit des dislocations en premier, le substrat lui imposant son propre paramètre de maille.
Mais, étant donné que le substrat cristallin très mince ne serait pas industriellement manipulable s'il n'était renforcé par une autre structure, on prévoit qu'il est accolé à un autre substrat plus rigide mais qui n'impose pas son paramètre de maille au substrat cristallin très mince.
L'invention propose donc à la fois une nouvelle structure de dispositif semiconducteur et un procédé de fabrication original.
En résumé, le détecteur infrarouge selon l'invention comporte une couche cristalline active de GalnAs formée par croissance épitaxiale sur un substrat cristallin d'InP, et elle est caractérisée en ce que le substrat cristallin d'InP a une épaisseur très faible, et est adossé à un autre substrat beaucoup plus épais qui ne tend pas à imposer un paramètre de maille au substrat cristallin très mince. L'épaisseur du substrat mince est choisie telle que les dislocations dues à la croissance de la couche active sur le substrat mince soient créées dans le substrat mince avant d'être créées dans la couche active.
On interpose de préférence entre le substrat plus épais et le substrat très mince d'InP une couche absorbant les contraintes existant entre les deux substrats. Les deux substrats peuvent être en un même matériau, mais même si c'est le cas, des contraintes existent car le substrat très mince subit des dislocations (c'est le principe de l'invention) et le substrat épais tendrait à s'opposer à ces dislocations s'il n'était séparé du substrat mince par une couche relativement amorphe absorbant les contraintes et autorisant les glissements de maille provoqués par les dislocations.
L'ensemble des deux substrats accolés est de préférence réalisé en rendant solidaires l'un de l'autre deux substrats différents, et en usinant celui qui doit constituer le substrat cristallin très mince jusqu'à lui donner l'épaisseur désirée.
La solidarisation se fait de préférence par phénomène d'adhérence moléculaire entre les surfaces parfaitement polies et planes des deux substrats. Le polissage se fait bien entendu après formation de la couche d'absorption sur l'un des substrats (du moins dans le cas général où une couche d'absorption est nécessaire).
Après solidarisation des substrats, on amincit beaucoup le substrat qui doit porter la couche active, et on dépose par épitaxié cette couche active sur le substrat aminci.
En résumé, on propose selon l'invention un procédé de fabrication de structure semiconductrice, dans lequel on fait croître épitaxialement une couche semiconductrice active de GalnAs sur un substrat cristallin très mince d'InP, caractérisé en ce qu'on prépare ledit substrat cristallin sous forme d'un premier substrat épais d'InP (S1 ), on prépare un deuxième substrat épais (S2), on solidarise les deux substrats, on usine le premier substrat jusqu'à lui donner une épaisseur très fine, et on dépose la couche active (CA) sur ce premier substrat aminci, l'épaisseur du substrat aminci étant telle que les dislocations cristallines qui se produisent lors de la croissance de la couche active se forment dans le substrat aminci plutôt que dans la couche active, la liaison de solidarisation entre le deuxième substrat épais et le substrat aminci étant par ailleurs telle que le deuxième substrat épais n'impose pas au substrat aminci une maille cristalline déterminée qui tendrait à empêcher ces dislocations dans le substrat aminci.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente les principales étapes du procédé de fabrication selon l'invention;
- la figure 2 représente la structure qui en résulte.
Les principales étapes de fabrication du dispositif semiconducteur selon l'invention sont représentées à la figure 1. On réalise séparément deux substrats différents (figure 1a). L'un, S1 , est en InP. Il a un paramètre de maille proche de celui d'une couche active semiconductrice de GalnAs qu'on désire déposer ultérieurement pour y former un détecteur infrarouge. L'autre, S2, est un substrat quelconque dont la fonction principale est d'assurer la tenue mécanique lors des manipulations en cours de fabrication. Il doit être en un matériau compatible avec InP en ce sens que les coefficients de dilatation thermique de ces deux matériaux doivent être assez proches, et que les différentes étapes du procédé décrit doivent pouvoir être réalisées.
Le matériau du substrat S2 peut être InP comme le substrat S1. Il pourrait cependant être en silicium pour réduire les coûts. Un substrat bien adapté serait le silicium sur saphir (SOS pour "silicon on sapphire") qui est directement épitaxiable. Dans cette hypothèse on peut d'ailleurs envisager la croissance d'îlots d'InP sur le substrat de silicium.
Au cours du procédé de fabrication, on devra accoler les substrats l'un à l'autre de préférence sans utilisation d'adjuvant de collage car les colles ne tiendraient pas les températures de traitement lors des étapes ultérieures, notamment les étapes de croissance épitaxiales, de diffusion d'impuretés, d'oxydation thermique, etc.
Pour cela on utilisera de préférence l'un des deux procédés suivants : soudage en présence de champ électrique, ou adhérence moléculaire directe. La solidarisation de deux substrats par adhérence moléculaire consiste simplement à polir très finement les surfaces planes à accoler. Si les surfaces polies ont des rugosités de quelques dizaines de plans atomiques et sont très propres, les liaisons cristallines restées libres en surface des deux substrats peuvent se reformer à l'interface lorsque les deux surfaces sont accolées. L'efficacité de cet effet dépend de l'affinité des espèces chimiques en présence et est activée par traitement thermique. L'adhérence moléculaire est un collage très fort.
Avant d'accoler les substrats, il sera nécessaire de former sur leurs surfaces des couches tampon qui auront deux rôles : d'une part permettre l'adhérence moléculaire, et d'autre part permettre un glissement entre les deux substrats. Le glissement ne se fera pas à l'interface collé pa/ adhérence moléculaire mais aux interfaces entre ces couches d'adhérence et les substrats. On forme donc une couche tampon sur chacun des substrats. La couche tampon absorbera les contraintes lors de la croissance épitaxiale de la couche active, afin que le substrat S2 n'impose pas son paramètre de maille au substrat S1 lorsque le substrat S1 tend à subir des dislocations de structure cristalline. La figure 1b représente le substrat S2 avec une couche tampon 10, par exemple en silice (Si02) ou alumine (AI203). Le matériau choisi pour la couche tampon doit être compatible avec le substrat S2 au point de vue de la dilatation thermique. Il doit être suffisamment amorphe pour établir le moins de liaisons cristallines possibles avec le substrat, et il doit pouvoir être poli pour l'adhérence moléculaire. L'alumine est préférable car elle a un coefficient thermique mieux adapté que la silice à celui du substrat InP. D'autre part, la silice établit en partie des liaisons avec le cristal InP, alors que l'alumine ne le fait pratiquement pas. Cependant, si le substrat S2 est en silicium, la silice est particulièrement appropriée pour la couche tampon. On peut imaginer que des structures multicouches peuvent être utilisées pour la couche tampon si on veut mieux satisfaire toutes les exigences indiquées.
La préparation du substrat S2 peut consister seulement dans le dépôt de la couche tampon 10 et son polissage en vue de l'opération de collage par adhérence moléculaire. Une couche tampon analogue sera également réalisée sur le substrat S1 pour permettre l'adhérence moléculaire entre deux couches de même matériau.
Le substrat S1 est de préférence préparé avec des étapes de dépôt épitaxial pour faciliter ultérieurement son amincissement jusqu'à une épaisseur bien contrôlée. En effet, si on se contentait de coller le substrat S1 sur le substrat S2 et d'amincir ensuite S1 par usinage chimique ou mécanique, on aurait beaucoup de mal à déterminer à quel moment il faut arrêter l'usinage. De préférence, on dépose donc successivement (figure 1c) une couche épitaxiale 12 du même matériau que le substrat S1 (InP), pour parfaire l'état monocristallin de la surface du substrat S1 ; puis on dépose une couche d'arrêt d'attaque chimique 14; ensuite, on dépose une couche épitaxiale CS1 d'InP , d'épaisseur égale à l'épaisseur finale de substrat cristallin très mince désiré dans la structure (quelques milliers d'angstrôms de préférence). C'est en effet cette couche CS1 qui constituera le substrat cristallin très mince de la structure finale.
La couche d'arrêt d'attaque chimique 14 est autant que possible une couche cristalline très semblable en structure et en paramètre de maille à celle de la couche CS1 , de manière que la croissance épitaxiale de la couche CS1 soit possible sur la couche 14. Les produits d'attaque chimique du substrat S1 ne doivent pas attaquer la couche d'arrêt et les produits d'attaque de la couche d'arrêt ne doivent pas attaquer la couche CS1.
La couche d'arrêt 14 peut être en InGaAs, ou InAlAs. Enfin, après dépôt de la couche CS1 , on dépose la couche tampon 10, en alumine ou silice, correspondant à la couche 10 du substrat S2. Les deux substrats, S2 d'une part, S1 avec ses couches 12,
14 et CS1 d'autre part, tous deux revêtus de la couche tampon ou couche d'adhérence 10, sont alors solidarisés l'un avec l'autre, de préférence par simple adhérence moléculaire (avec traitement thermique). Après solidarisation des substrats S1 et S2 on usine la partie arrière du substrat S1 jusqu'à la couche d'arrêt 14 avec une substance d'attaque (Hcl:H20) qui n'affecte pas ou peu la couche 14 (figure 1d).
Puis on enlève la couche d'arrêt 14 à l'aide d'une autre composition d'attaque qui n'affecte pas la couche CS1 (H2S04:H202:H20, ou solution aqueuse d'acide citrique pour une couche d'arrêt en InGaAs).
Subsiste alors la structure suivante proposée selon l'invention : un substrat cristallin CS1 très mince subsiste, résidu de l'usinage du substrat S1 , de maille proche de la maille d'une couche cristalline active CA qu'on souhaite déposer sur ce substrat. Le substrat résiduel CS1 est accolé à un substrat épais S2 et séparé de lui par une couche tampon 10.ayant peu de liens cristallins avec le substrat S2, de sorte que le substrat S2 ne tend pas à imposer sa structurer de maille et ses dimensions de maille au substrat CS1.
On peut alors déposer par épitaxié la couche active CA d'InGaAs (figure 2).
Ultérieurement on fera les opérations (diffusions, implantations, oxydations, dépôts de couches isolantes, résistives, conductrices ou semiconductrices, etc.) nécessaires à la réalisation de composants utiles dans la couche active CA et au dessus de cette couche.
Les phénomènes de dislocation mis en jeu dans la croissance de la couche active peuvent être expliqués de la manière suivante, par exemple dans le cas d'une couche active de Gao 2lno,8As sur substrat InP. La croissance épitaxiale de la couche active produit des contraintes entre le substrat et la couche puisque les paramètres de maille ne sont pas identiques. La contrainte est en tension pour le substrat InP et en compression pour la couche active, ce qui est favorable car la résistance des couches en compression est en général meilleure qu'en tension.
Cette contrainte croît à mesure que l'épaisseur de couche active déposée croît. Dans le cas de l'art antérieur, il se passait le phénomène suivant : lorsque l'épaisseur atteinte par la couche active était telle que les contraintes dépassaient la résistance aux dislocations de cette couche active, des dislocations étaient créées, endommageant la couche active. Puis, la couche active continuait à croître, des contraintes croissaient à nouveau, et lorsque le seuil était à nouveau dépassé, de nouvelles dislocations se produisaient. Ici, on choisit l'épaisseur du substrat mince suffisamment faible pour que des dislocations se produisent dans ce substrat alors que les contraintes ne sont pas encore suffisantes pour disloquer la couche active, et ceci pendant toute la croissance de la couche active.
On pourrait en effet tracer des courbes de croissance des contraintes dans le substrat mince en fonction de l'épaisseur de la couche active, et des courbes de croissance des contraintes dans la couche active en fonction de cette même épaisseur; pour les contraintes dans le. substrat, on peut repérer sur ces courbes les seuils au delà desquels il y a des dislocations du substrat : les seuils dépendent de l'épaisseur de ce dernier; pour les contraintes dans la couche active, on peut aussi repérer des seuils de contrainte au delà desquels il y a dislocation de la couche. Le seuils dépendent aussi de l'épaisseur de la couche active.
Il suffit alors de choisir l'épaisseur du substrat mince de telle manière que les seuils de dislocation dans le substrat soient dépassés avant les seuils de dislocation de la couche active, et ceci d'un bout à l'autre de la croissance de la couche active.
L'expérience montre qu'une épaisseur de substrat inférieure à 0,5 micromètre, de préférence de l'ordre de 0,1 à 0,2 micromètre, est appropriée.
Cependant, ceci fonctionne à condition que le substrat mince n'ait pas une tenue à la dislocation renforcée par le substrat épais contre lequel il est accolé. En effet, si la maille cristalline du substrat épais imposait sa structure et son paramètre de maille au substrat mince, les dislocations du substrat mince seraient empêchées. La présence d'une couche tampon, de préférence amorphe, entre les deux substrats est une manière d'empêcher cet accroissement de la résistance du substrat mince aux dislocations. Les couches cristallines du substrat mince peuvent alors glisser, lors des dislocations, sur la couche tampon. La couche tampon ne crée en effet que peu de liens de nature cristalline avec le substrat mince avec lequel elle est en contact.
Dans certains cas, on pourra améliorer l'efficacité du concept en précontraignant le substrat mince (en extension). Ceci pourra être obtenu par un choix judicieux de la nature des couches d'adhérence 10 : le coefficient de dilatation thermique différentiel entre la couche d'adhérence et la couche CS1 crée une contrainte. On peut aussi jouer sur la température à laquelle s'effectue l'adhérence moléculaire, les deux substrats S1 et S2 pouvant être à des températures différentes lors de l'opération de liaison.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur infrarouge formé dans une couche semiconductrice (CA) de GalnAs réalisée par croissance épitaxiale sur un substrat cristallin en InP, caractérisé en ce que le substrat cristallin (CS1) a une épaisseur très faible et est adossé à un autre substrat (S2) beaucoup plus épais qui n'impose pas un paramètre de maille déterminé au substrat cristallin très mince.
2. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat mince d'InP est choisie telle que les dislocations cristallines dues à la croissance de la couche active d'InGaAs sur le substrat mince d'InP soient créées dans le substrat mince avant d'être créées dans la couche active.
3. Détecteur infrarouge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le substrat épais est cristallin et une couche (10) absorbant les contraintes existant entre les deux substrats est interposée entre ces derniers.
4. Détecteur infrarouge selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche absorbant les contraintes est une couche de matériau amorphe.
5. Détecteur infrarouge selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le substrat épais est réalisé dans le même matériau que le substrat mince.
6. Détecteur infrrouge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche active est en GaxlnyAs, avec x égal à environ 0,2 et y égal à environ 0,8.
7. Détecteur infrarouge selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat épais est en InP, une couche d'oxyde de silicium ou d'oxyde d'aluminium étant interposée entre le substrat mince et le substrat épais.
8. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat épais est en silicium, et une couche d'oxyde de silicium est interposée entre le substrat mince et le substrat épais.
9. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat mince est inférieure à 5000 angstrôms, et de préférence de l'ordre de 1000 à 2000 Angstrôms.
10. Procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge, dans lequel on fait croître épitaxialement une couche semiconductrice active (CA) d'InGaAs sur un substrat cristallin (CS1 ) en InP, caractérisé en ce qu'on prépare ledit substrat cristallin sous forme d'un premier substrat épais (S1 , CS1), on prépare un deuxième substrat épais (S2), on solidarise les deux substrats, on usine le premier substrat jusqu'à lui donner une épaisseur très fine, et on dépose la couche active (CA) sur ce premier substrat aminci, l'épaisseur du substrat aminci (CS1 ) étant telle que les dislocations cristallines qui se produisent lors de la croissance de la couche active se forment dans le substrat aminci plutôt que dans la couche active, la liaison de solidarisation entre le deuxième substrat épais et le substrat aminci étant par ailleurs telle que le deuxième substrat épais n'impose pas au substrat aminci une maille cristalline déterminée qui tendrait à empêcher ces dislocations dans le substrat aminci.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le deuxième substrat épais est solidarisé avec le premier substrat par polissage des faces destinées à être accolées, et mises en contact par adhérence moléculaire sans adjuvant de collage.
12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11 , caractérisé en ce que le premier substrat est préparé de la manière suivante : dépôt épitaxial sur un substrat provisoire (S1) d'InP d'une première couche monocristalline (12) d'InP, puis dépôt d'une couche d'arrêt d'attaque chimique (14), également cristalline, dépôt d'une couche cristalline finale (CS1) en InP, et d'une couche tampon, et enfin polissage de la surface du substrat provisoire ainsi revêtu.
13. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le deuxième substrat épais (S2) est préparé de la manière suivante : dépôt d'une couche tampon (10) en matériau amorphe sur ce substrat épais, et polissage de la surface du substrat ainsi revêtu.
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